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【摘要】隨著當今社會移動互聯網的快速發展，人們對網絡質量和速度的要求越來越高。5g是第五代網絡通信技術的縮寫。本文簡要介紹了5G技術的發展背景、5G技術的主要技術以及5G的未來應用場景，最后對5G技術的未來做出展望。
【關鍵詞】5G;關鍵技術;應用場景;未來發展
引言
隨著通信技術和計算機技術的快速發展，各種新應用（如虛擬現實，增強現實，人工智能，3D媒體，超高清視頻等）不斷涌現。無線網絡需要攜帶的數據量急劇增加。但是，現有的移動通信系統（4G）很難滿足這種需求，從而開發出新一代的移動通信技術--5G。根據國際電信聯盟（ITU）的IMT-2020愿景，5G將包括增強型移動寬帶，大規模機器類型通信和三種類型的用例，用于超可靠和低延遲通信。5G最顯著的特點之一是前所未有的流量，每單位面積的巨大頻譜效率（數百b/s/Hz/km2）、超高的單設備吞吐量（Gb/s量級）。峰值傳輸速率甚至可以達到10Gbit/s，而端到端延遲則降低到ms級別。交通密度增加了1000倍，連接設備的密度增加了10到100倍，而頻譜效率提高了5到10倍。5G技術預計可提供比4G技術快100倍的速度。使用這項技術，下載高清（HD）電影只需十秒鐘，并以500公里/小時的速度最大化最佳用戶體驗。使得人們的生活質量得到提高。
一、發展背景
每一代無線通信技術致力于為移動設備實現更快的移動網絡速度和收集能力。還記得曾經大哥大，這就是1G時代，即模擬信號時代，那時還沒有統一的標準；到上世紀90年代前后，2G網絡出現，實現了短信傳輸，全球進入數字時代，也出現了相應的標準，美國有CDMA，歐洲有GSM，而日本有PHS，這時的中國并沒有什么話語權；21世紀的到來，3G時代也將到來，3G是智能手機的時代，它使得在線訪問成為可能。這時美國推出了CDMA2000，歐洲有WCDMA，日本的PHS則退出了歷史舞臺，而中國則誕生了TDSCDMA，雖然弱小卻堅強的生存著；而到了4G時代，就只剩下了中國主導的TDDLTE和歐洲主導的FDDLTE，中國在通訊行業的話語權越來越強，4G大大提高了網絡速度，比3G快了近8倍，這正是我們現在所使用的。但是，隨著用戶和網絡設備數量的快速增加，越來越多的4G用戶同時使用大量的數據網絡，網絡變得越來越擁擠，無法滿足人們對網絡的需求。為了解決這個問題，5G應運而生，5G是最新一代無線通信技術，可以以GB速度運行。它可以處理千兆位流量數據，比4G快10倍。下載全高清電影可以在幾秒鐘內完成，甚至更快，5G將成為未來一切的基礎。讓VR，自動駕駛，物聯網，智能家居，云服務等，甚至是我們現在都想不到的場景都可以實現。我國早在2013年就開始了對5G技術的研究，并將這項工作納入了我國的863計劃。華為還在2013年11月宣布，到2018年將投資6億美元用于5G技術的研發和創新，并預測到2020年5G移動網絡的商業化。根據計劃，中國的5G技術研發測試分為三個階段：關鍵技術試驗、技術方案驗證和系統驗證。2017年11月，工業和信息化部正式宣布已進入5G技術研發的第三階段，并力爭在2018年底完成。2017年12月，國家發展和改革委員會了“關于組織下一代信息基礎設施建設項目實施的通知”。2018年至少需要在5個城市進行5G規模的聯網試點。每個城市的5G基站數目不少于50個，整個網絡中的5G終端數量不少于500個。5G移動通信技術已進入工業沖刺階段。
二、5G通信主要技術介紹
2.1毫米波
大多數移動電話和其他電子設備目前工作在3KHz至6GHz頻段，但隨著越來越多的設備加入此頻段，而且這些設備也消耗了更多的數據，這個頻段已經過度擁擠，不僅降低了網絡速度，而且還常有掉線的情況。因此，我們需要開發新的頻譜資源，因此無線通信技術專家將目光投向了6GHz以上的頻段。也就是說，這里提到的毫米波在毫米波所在的較高頻帶中具有較大的帶寬，但是非常容易受到路徑損耗的影響。為了解決這個問題，解決方案之一是使用前面提到的微基站。它是使用數千個低功率小型基站來制造第一個信號來取代目前的大型基站。當您被障礙物阻擋時，手機將自動切換到另一個小型基站以確保穩定的鏈接。但是，如果運營商要在城市中部署如此大量的小型基站，成本將非常高，因此專家們提出了毫米波的動員。這意味著毫米波需要能夠在我們行走時或在車內為我們服務，并且我們需要處理由握住手機姿勢引起的信號遮擋問題。
2.2大規模MIMO
大規模MIMO技術，或稱為MassiveMIMO技術，不僅是5G通信的關鍵，還將降低一半的基站發射功率，進而達到節能環保的作用，事實上中國移動是最早推動massiveMIMO技術的運營商，之后中國移動聯合華為、中興等企業完成MassiveMIMO技術的開發和性能驗證。5G在高頻情況下，頻率高、覆蓋面積小，所以蜂窩半徑就更小，所以需要更多基站，所以造價是個大問題，以及通訊的散熱，而MassiveMIMO技術就有可能大幅度降低成本，解決散熱問題。在運營商的運營成本里，其中有40%是基站耗電，那么如果這個技術能夠得到應用，可以把耗電量減少50%，甚至是40%，那么在全國范圍內能源的節省是相當突出的。MIMO也是一種多輸入多輸出技術。然而，在5G超大規模MIMO條件下，基站使用最多256個天線，因此整個空時的優越性被用于限制。但是，如果大量天線同時發送信號，則會發生相互干擾，并引入另一種技術--波束成形。
2.3波束成形
波束成形就像一個信號燈，在多個設備之間引導命令信號。設備將發送信號上傳。執行定向返回信號，確保所有信號都傳回手機，減少信號丟失，從而提高網絡速度。這就是波束成形技術。而波束成形技術通常會將信號匯聚起來，且通常波束越窄，信號越強，但是副作用就是，如果這束信號波束不能準確的找到用戶，那么用戶不僅不能得到更高質量的信號，而且也沒有更好的上網體驗。因此，為了使用戶享受5G速度的同時，還得有良好的上網體驗，在5G基站的部署時，就需要更多的窄波束；同時，為了更快地恢復網絡，有必要引入下一項技術--全雙工技術。
2.4全雙工
如果您使用過對講機，您會知道當您與另一方通話時，另一方不能同時說話。您無法同時通話，因為信號傳輸在一個通道上，這意味著無法同時傳輸上傳和下載。這大大減少了網絡的傳輸，特別是當您有大量數據要傳輸時，這次全雙工技術允許同時上傳和下載大量數據。沒有必要互相讓路，這大大提高了網絡傳輸的效率。全雙工通信的最大優點是它幾乎是半雙工通信的兩倍。如果可以解決復雜信號處理引起的硬件和軟件復雜性問題，也可以降低全雙工通信的誤碼率。此外，如果全雙工設備具有足夠大的高速緩存容量，則系統的分組丟失率也可以降低。然而，由于設備接收的功率和發送信號的差異，全雙工通信受到嚴重的自干擾。如果這種干擾在一定程度上嚴重，則全雙工通信的容量甚至不如半雙工通信那么好。實驗表明，全雙工解決方案的性能并不比半雙工解決方案完全好，因此如果您可以在全雙工和半雙工之間切換，使用無線資源來最大化頻譜效率的混合方法可能更有效。
三、應用場景
3.1萬物互聯
隨著4G網絡的發展，出現了智能家居行業，但屬于起步時期，4G技術與“萬物互聯”之間存在差距。從物聯網的角度，我們也迫切需要5G。如果說每人一個手機，那么全球大概70多億個手機，我們就已經飽和了，但我們連接到物的話，就可能有每人10個，每人100個，甚至每人1000個連接，4G網絡便很難承受這樣的數量。若實現5G技術，就能夠利用它超大的流量、極短的延時、較低的功耗等達到“萬物互聯”的需求。在未來的發展中，5G技術還能夠推動物聯網的迅速發展，并逐漸應用到交通行業和自動化領域中，真正實現“萬物互聯”。
3.2醫療
哈斯商學院最近的一份報告還指出：“醫療領域最具影響力的5G影響力是'醫療個性化'。物聯網設備可以通過不斷收集患者特定數據并為患者推薦適當的治療方案來快速處理，分析和返回信息，從而使患者擁有更多的自我管理能力。”5G無線網絡的發展將通過提供更快的連接和更高的帶寬來改善遠程醫療和遠程護理。想象一下，患者在舒適的家中佩戴遠程醫療傳感器，其生命體征正在實時傳遞給他的健康經理。這些數據允許醫生和護理人員動態管理患者的治療計劃。此外，醫務人員還可以通過網絡攝像頭進行咨詢或干預。比如做遠程B超時，大夫和病人通過兩個攝像頭、屏幕實現對話，當大夫在遠程操作來給病人做B超，5G可以精確到大夫在操縱探頭的時候，探頭接觸到人的身體的壓力，在遠程都可以感覺出來，與在現場幾乎沒有區別。
3.3無人駕駛
自動駕駛汽車是廣泛使用的用例之一，特別是用于商用車輛和非公路車輛（農業，采礦，建筑等）。近年來，無人駕駛自動駕駛行業也是各種技術的樂觀方向。5G提供的快速網絡可以輔助自動駕駛汽車，使汽車在通過道路交叉口時與控制中心進行通信。也能跟來往的車輛展開“對話”。早些時候，一些專家指出，在沒有紅綠燈的街道上--雖然汽車必須越過交叉路口，但它們不會相互撞擊。所有車載傳感器和攝像頭都記錄了汽車的行駛過程，以便在發生交通事故時，人們可以從事故中重播現場。當然，這些需要基于強大的5G網絡。
3.4VR
在過去兩年中，許多技術巨頭已經看到了未來虛擬現實產業的發展勢頭并已進入該行業。如今，無論是虛擬現實技術，增強現實技術還是混合現實技術，都有相應的消費產品，這些概念已經被公眾迅速理解。但是，目前的4G網絡難以支持完美的虛擬現實體驗。5G的到來就可以支持虛擬現實等極致業務的體驗，尤其是可以解決目前VR技術出現的卡頓、眩暈等問題。因為5G傳輸數據量大、時間又低，因此它在某個小區域里面，可以同時支持的用戶更多、而且速率更快，所以說用戶體驗會非常好。因而5G的到來將會推動VR技術進入大規模使用階段，讓VR更“觸手可及”。而5G不僅使實時流更流暢，而且更快的網絡速度和更低的延遲可支持360度全景視頻直播。360度全景視頻是通過多個攝像頭360度拍攝的實時視頻。您可能希望在未來5G網絡普及之后，您必須在家中成為現場觀眾。
四、前景展望
如今，為了給用戶提供更好的服務，運營商越來越重視5G移動通信技術，投入更多的人力、物力和財力來研究。5G的出現和推廣使通信能夠沖出以前的固定模式，讓用戶獲得從未有過的體驗;人與人之間，人與物之間的距離進一步縮小，開啟了人與萬物共性時代的帷幕。與之前的4G和3G一樣，5G是通信技術的巨大創新，它進一步提高了人們的生活質量和水平。它隨時隨地實現高質量，高速的網絡通信服務。隨著移動通信技術的發展，萬物互聯，生命之云，智能互動的實現必將成為5G的發展方向。
參考文獻
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作者:楊錫昊 單位:云南省麗江市第一高級中學